Влияние вентиляции на теплопотери и энергопотребление здания

Вентиляция влияет на энергопотребление здания двумя основными способами: требует тепловой энергии для нагрева поступающего наружного воздуха и электрической энергии для работы вентиляторов. Величина этих затрат зависит от расхода воздуха, температурных условий, эффективности рекуперации и продолжительности работы оборудования. Чтобы определить вклад вентиляции в энергетический баланс здания, тепловую и электрическую нагрузки рассчитывают раздельно, а затем сопоставляют с фактическими режимами эксплуатации.

Особое значение имеет расписание работы вентиляционных установок. Например, переход на ночной режим может заметно изменить потребность здания в тепле без каких-либо изменений стен, окон или теплоизоляции. Однако увеличение теплопотребления не всегда связано именно с организованной вентиляцией: дополнительная энергия может расходоваться на нагрев воздуха, поступающего через неплотности ограждений. Эти причины необходимо разграничивать.

Из каких энергетических составляющих складывается работа вентиляции

Для оценки влияния вентиляции на здание необходимо различать тепловую нагрузку на подготовку приточного воздуха и электрическую нагрузку, связанную с перемещением воздушных потоков.

Тепловая нагрузка возникает, когда поступающий наружный воздух необходимо нагреть до температуры, предусмотренной режимом приточной установки. Чем холоднее наружный воздух и чем больше его расход, тем выше потребность в нагреве при прочих равных условиях.

Если в установке предусмотрена рекуперация, часть необходимого нагрева может обеспечиваться за счёт передачи тепла от удаляемого воздуха приточному. Тогда нагрузка на дополнительный подогрев зависит от температуры воздуха после рекуператора.

Электрическая нагрузка определяется потреблением вентиляторов при работе системы. Для расчёта количества электроэнергии необходимы фактическая потребляемая мощность и продолжительность соответствующих режимов.

Эти два вида энергозатрат имеют разные физические механизмы и измеряются разными способами. Расход тепла на нагрев притока нельзя автоматически определять по электрической мощности вентиляторов, а потребление электроэнергии — по тепловой нагрузке воздухонагревателя.

В энергетическом балансе здания важно также установить границы учёта. Если тепло для приточной установки поступает от общего источника теплоснабжения, его расход может уже входить в показания общего теплового счётчика. В этом случае расчётную нагрузку вентиляции необходимо выделять из общего потребления, а не прибавлять к нему повторно.

Если электрическая энергия вентиляторов входит в общий расход электроэнергии здания, расчёт их потребления также представляет собой выделение соответствующей составляющей из общего баланса.

Таким образом, раздельная оценка показывает, какая часть энергетических затрат связана с нагревом воздуха, а какая — с его механическим перемещением.

Какие исходные данные нужны для расчёта

Основой анализа служат сведения о расходе приточного воздуха, температуре воздуха на различных этапах его подготовки, наличии и работе рекуперации, продолжительности эксплуатации вентиляционных установок и фактических параметрах отопления.

Каждая группа данных необходима для решения определённого расчётного вопроса.

• Расход приточного воздуха. Показывает, какое количество воздуха поступает в систему за единицу времени. Именно этот показатель связывает температурный режим с необходимой мощностью нагрева.
• Температура наружного воздуха. Определяет исходное тепловое состояние поступающего потока. Её изменения непосредственно влияют на необходимый нагрев.
• Температура воздуха после рекуперации. Позволяет установить, до какой температуры приток нагревается перед дополнительным воздухонагревателем.
• Температура подготовленного притока. Характеризует требуемый результат работы системы подготовки воздуха.
• Продолжительность работы. Необходима для перехода от тепловой и электрической мощности к количеству потреблённой энергии за расчётный период.
• Параметры отопления. Позволяют сопоставить изменение вентиляционной нагрузки с общим теплопотреблением здания.
• Мощность вентиляторов. Используется для отдельного определения расхода электрической энергии при соответствующих режимах работы.

Предпочтительно использовать фактические измерения и архивные сведения за рассматриваемый период. Если доступны только паспортные значения расхода воздуха или мощности вентиляторов, необходимо установить, соответствуют ли они реальному режиму эксплуатации.

Например, установленная производительность приточной установки не доказывает, что она непрерывно работает именно с таким расходом. Если система предусматривает несколько режимов, для расчёта необходимо учитывать каждый из них отдельно.

Важна согласованность времени. Температура наружного воздуха, расход притока и состояние рекуператора должны относиться к одному периоду. Если расход принят по дневному режиму, а температура — по ночному, рассчитанная нагрузка может не соответствовать ни одному фактическому состоянию системы.

Перед сопоставлением с показаниями общего теплосчётчика дополнительно определяют, какие потребители тепла включены в его границы. Без этого невозможно корректно отделить вентиляционную нагрузку от отопления и других составляющих.

Как рассчитать потребность в тепле на нагрев приточного воздуха

Тепловая мощность, необходимая для нагрева воздуха, определяется количеством проходящего воздуха и требуемым изменением его температуры.

Для расчётного режима можно использовать зависимость:

Q = G × c × ΔT, где Q — тепловая мощность нагрева, G — массовый расход воздуха, c — его удельная теплоёмкость, ΔT — разность температур после и до нагрева.

Если исходный расход задан в объёмных единицах, его переводят в массовый с учётом плотности воздуха. Все величины приводят к согласованным единицам измерения.

Для приточной установки без рекуперации разность температур определяют между подготовленным приточным воздухом и наружным воздухом, поступающим на нагрев.

При наличии рекуперации расчёт выполняют иначе. Сначала определяют температуру воздуха после передачи тепла от вытяжного потока. Затем устанавливают дополнительный нагрев, необходимый для достижения заданной температуры притока.

Тепловая мощность дополнительного подогрева = массовый расход притока × удельная теплоёмкость воздуха × разность температур заданного притока и воздуха после рекуперации.

Такое разграничение необходимо, поскольку тепло, полученное приточным воздухом в рекуператоре, не следует повторно включать в нагрузку дополнительного воздухонагревателя.

При этом наличие рекуператора ещё не подтверждает конкретную величину снижения теплопотребления. Необходимо знать его фактический режим и температуры воздушных потоков. Расчёт по паспортной характеристике оборудования может не совпадать с результатом эксплуатации.

Если измеренная температура после рекуперации отсутствует, для предварительной оценки может использоваться обоснованная модель работы установки. Однако результат в таком случае следует обозначить как расчётный, а не непосредственно подтверждённый измерениями.

После определения тепловой мощности рассчитывают количество энергии за рассматриваемый период. Для постоянного режима оно определяется произведением мощности на продолжительность работы. Если расход воздуха и температурные условия изменяются, расчёт выполняют по отдельным интервалам.

Например, при одинаковом расходе притока тепловая мощность нагрева будет различаться в периоды с разной наружной температурой. Поэтому применение одной расчётной мощности ко всем часам эксплуатации может исказить итоговую оценку.

Для более достоверного результата сопоставляют расход воздуха, температуры и продолжительность каждого характерного режима, после чего суммируют рассчитанные количества тепловой энергии.

Почему ночной режим вентиляции может заметно изменить теплопотребление

Режим работы вентиляции влияет на потребность в тепловой энергии не только через интенсивность воздушного потока, но и через продолжительность нагрева наружного воздуха.

Это особенно важно при сравнении дневной и ночной эксплуатации здания.

В дневное время приточная установка может работать с расходом, соответствующим фактическому использованию помещений. Ночью количество находящихся в здании людей и характер эксплуатации могут изменяться. Соответственно, может изменяться и необходимый режим воздухообмена.

Если установка продолжает работать с прежним расходом, тепловая энергия на подготовку притока расходуется в течение дополнительных часов. При этом наружная температура ночью может отличаться от дневной, что также влияет на необходимую мощность нагрева.

Возможна противоположная ситуация: в ночное время расход воздуха уменьшается или изменяется продолжительность работы установки. Тогда тепловая нагрузка на подготовку притока может снизиться без какого-либо изменения характеристик стен, окон или перекрытий.

Следовательно, изменение общего теплопотребления здания между дневным и ночным периодами нельзя объяснять исключительно теплопередачей через ограждения. Необходимо проверить, как в те же часы работала вентиляция.

Для анализа сравнивают несколько показателей:

1. Фактический расход приточного воздуха в дневном и ночном режимах.
2. Продолжительность каждого режима.
3. Наружную температуру в соответствующие интервалы.
4. Работу рекуперации и дополнительного подогрева.
5. Параметры отопления и общее теплопотребление здания.

По полученным данным рассчитывают тепловую нагрузку вентиляции для каждого режима. После этого определяют, какая часть изменения общего теплопотребления согласуется с изменением подготовки приточного воздуха.

Если вентиляция ночью отключается, нельзя автоматически считать весь расход тепла в этот период потерями через ограждения. На потребление могут влиять работа отопления и другие нагрузки, входящие в рассматриваемую границу учёта.

Аналогично снижение теплопотребления после изменения ночного режима ещё не доказывает, что вся разница получена за счёт вентиляции. Необходимо учитывать сопоставимость наружной температуры и параметров отопления.

При рассмотрении изменения расписания важно сохранять требуемые условия эксплуатации помещений. Расчётная возможность сократить часы работы не является самостоятельным подтверждением допустимости такого режима.

Поэтому предметом анализа становится не произвольное уменьшение вентиляции, а соответствие её фактического расхода и времени работы потребности здания в рассматриваемые интервалы.

Как отличить подогрев притока от потерь на инфильтрацию

Дополнительное теплопотребление здания может быть связано как с организованной подачей наружного воздуха через вентиляционную установку, так и с проникновением воздуха через неплотности ограждающих конструкций.

Эти процессы имеют общий энергетический результат: поступающий наружный воздух необходимо нагревать до требуемых внутренних температурных условий. Однако пути поступления воздуха и способы определения нагрузки различаются.

Организованный приток характеризуется расходом воздуха, проходящего через предусмотренную систему вентиляции. При наличии измерений расхода и температур можно рассчитать необходимый нагрев в соответствующей установке.

Инфильтрация представляет собой неконтролируемое поступление воздуха через неплотности. Её величина зависит от воздухопроницаемости конструкций и условий давления. Поэтому данные о производительности приточной установки не позволяют непосредственно определить объём инфильтрации.

Если общий расход тепловой энергии выше предварительной оценки, необходимо проверить оба объяснения.

В первом случае уточняют, соответствует ли фактический расход притока принятому в расчёте, как работает рекуперация и до какой температуры нагревается воздух.

Во втором случае определяют, есть ли основания предполагать дополнительное поступление наружного воздуха вне организованной приточной системы. Для такого вывода необходимы сведения о фактическом воздухообмене и условиях поступления воздуха через ограждения.

Особенно важно учитывать приточно-вытяжной баланс. Если организованное удаление воздуха превышает организованную подачу, часть необходимого воздухообмена может обеспечиваться поступлением воздуха через неплотности. Однако разность паспортных производительностей оборудования сама по себе не устанавливает фактическую инфильтрацию.

Для разграничения рассматривают реальные расходы приточной и вытяжной вентиляции, условия давления и границы помещения либо здания, для которых составляется баланс.

При этом один и тот же поток воздуха нельзя учитывать дважды. Если расчёт общего воздухообмена уже включает определённую составляющую неконтролируемого притока, её повторное добавление к нагрузке на нагрев воздуха приведёт к завышению результата.

Возможна ситуация, когда оба механизма действуют одновременно. Тогда расчёт организованного нагрева притока не объясняет весь расход энергии на компенсацию поступления наружного воздуха. Необходимо отдельно определить либо обоснованно оценить дополнительную составляющую.

Если данных об инфильтрации недостаточно, нельзя присваивать ей всю нераспределённую разницу теплового баланса. Такая разница может также включать другие нагрузки или погрешности исходных измерений.

Как раздельно учитывать электрическую нагрузку вентиляторов

Для оценки электрической составляющей вентиляции определяют фактическую мощность вентиляторов и продолжительность работы в каждом режиме.

При постоянной потребляемой мощности количество электроэнергии рассчитывают по зависимости:

E = P × t, где E — потреблённая электрическая энергия, P — электрическая мощность, t — продолжительность работы.

Если мощность изменяется, например при переходе между дневным и ночным режимами, расчёт выполняют отдельно для соответствующих интервалов. Затем полученные значения суммируют.

Для такой оценки важно использовать мощность, соответствующую фактическому режиму. Номинальное значение на табличке оборудования не обязательно равно действительной потребляемой мощности во всех условиях эксплуатации.

Возможна ситуация, когда ночной режим уменьшает расход приточного воздуха и одновременно изменяет электрическую мощность вентиляторов. Тогда необходимо рассчитывать два эффекта отдельно: изменение количества тепла на подготовку воздуха и изменение потребления электроэнергии.

Если приток в ночное время сокращается, нельзя автоматически считать, что электрическая мощность вентиляторов уменьшилась в той же пропорции. Для определения результата необходимы измеренные значения либо обоснованные характеристики оборудования в соответствующих режимах.

Важно также не смешивать электрическую и тепловую энергию при составлении итогового баланса. Хотя часть электрической энергии оборудования может переходить в тепло, это не означает, что весь расход вентиляторов следует дополнительно считать полезной тепловой нагрузкой здания.

Для оценки влияния вентиляции на общее энергопотребление достаточно первоначально представить две самостоятельные величины: количество тепловой энергии, необходимое для подготовки воздуха, и количество электрической энергии, потреблённое вентиляторами.

Если требуется объединённая энергетическая оценка, необходимо заранее установить её границы и метод сопоставления разных энергоресурсов. Простое суммирование показаний разных систем без проверки физических потоков может приводить к двойному учёту.

При этом задача настоящего анализа — определить место электрической нагрузки вентиляции в балансе здания. Установление причин повышенного электрического расхода самой вентиляционной установки требует отдельной технической проверки оборудования и его режимов.

Почему общий тепловой счётчик не показывает вклад вентиляции напрямую

Показания общего теплового счётчика характеризуют количество энергии, переданной через соответствующую границу учёта. Если за этой границей расположены система отопления и нагреватели вентиляции, прибор регистрирует их совокупное потребление.

Поэтому по одному общему показанию невозможно достоверно определить, сколько тепла было направлено непосредственно на подготовку приточного воздуха.

Для количественного выделения вентиляционной нагрузки необходима дополнительная информация: отдельное измерение соответствующего теплового потока либо расчётная модель, основанная на расходе воздуха, температурах, рекуперации и времени работы.

При использовании модели сначала рассчитывают нагрузку подготовки воздуха по согласованным режимам. Затем сопоставляют её с общим теплопотреблением здания за тот же период.

Если рассчитанный расход тепла вентиляции значительно изменяется между отдельными интервалами, проверяют, согласуется ли с этим изменением общий тепловой баланс. Но совпадение динамики ещё не доказывает точного вклада вентиляции: одновременно могли изменяться параметры отопления.

Если модель не учитывает фактическую работу рекуперации, расчёт может завысить нагрузку дополнительного подогрева. Если расход притока принят по паспорту без проверки фактической работы установки, результат может не соответствовать эксплуатации.

Если отсутствуют данные о режиме отопления, часть изменения общего теплопотребления может быть ошибочно приписана вентиляции.

Поэтому для обоснованного сопоставления используют согласованные временные интервалы и отдельно фиксируют допущения модели. Результат не должен создавать видимость точности, которая не обеспечена исходными измерениями.

Если определить необходимые параметры невозможно, по общему счётчику допустимо установить только совокупное потребление в рассматриваемой границе. Количественное разделение отопления и вентиляции в таком случае остаётся неподтверждённым.

Как оформить результат и определить дальнейшие измерения

Практическим результатом является раздельная оценка тепловой и электрической нагрузки вентиляции с указанием исходных данных, режимов работы и границ достоверности расчёта.

Тепловую составляющую представляют по периодам работы установки с учётом расхода приточного воздуха, температурных условий и фактической либо принятой в модели работы рекуперации.

Электрическую составляющую определяют по мощности вентиляторов и продолжительности соответствующих режимов. Если фактическая мощность неизвестна, результат обозначают как предварительный и указывают необходимость её измерения или уточнения.

Для каждого периода важно сохранить связь между изменением вентиляционной нагрузки и общим энергопотреблением здания. Это позволяет оценить, какие изменения теплового баланса могут объясняться режимом подготовки воздуха, а какие требуют отдельной проверки.

Если расчёт показывает заметное изменение тепловой нагрузки между дневным и ночным режимами, следующим действием становится уточнение фактического расписания вентиляции и соответствующих температур. Если результат существенно зависит от рекуперации, необходимо проверить её действительный режим.

Если данные указывают на возможное дополнительное поступление воздуха через неплотности, необходимо разграничить организованный приток и инфильтрацию. Если общий тепловой баланс не согласуется с рассчитанной нагрузкой вентиляции, проверяют исходные измерения, параметры отопления и полноту учтённых потоков.

Таким образом, оценка позволяет установить, какие составляющие энергопотребления связаны с вентиляцией, насколько они зависят от расписания работы и какие данные требуется получить для подтверждения их величины.

Основное ограничение: по показаниям одного общего теплового счётчика нельзя количественно выделить вклад вентиляции без расчётной модели или самостоятельного измерения соответствующего потока. Даже при наличии модели достоверность результата зависит от фактических расходов воздуха, температур, режима рекуперации и продолжительности работы. Изменение теплопотребления здания нельзя целиком относить к вентиляции без проверки остальных нагрузок.

Для уточнения фактических расходов воздуха и режимов оборудования рассматривают системы вентиляции. Если раздельная оценка подтверждает избыточную нагрузку на подготовку приточного воздуха, результаты используют при определении мероприятий по снижению потребления тепловой энергии с обязательной проверкой допустимых условий эксплуатации.